Противораковый препарат получен из генетически модифицированных дрожжей
В 2019 году пациенты с онкологическими заболеваниями столкнулись с перебоями в лечении из-за дефицита препаратов винбластина и винкристина — важных химиотерапевтических средств для лечения нескольких видов рака.
Эти препараты не имеют аналогов, так как их получают из листьев растения Catharanthus roseus (барвинок розовый). Два активных компонента растения — виндолин и катарантин — вместе образуют винбластин, который ингибирует деление раковых клеток.
Хотя растение распространено, для производства 1 г винбластина требуется более 2000 кг сухих листьев. Дефицит 2019–2021 годов был вызван в основном задержками поставок этих ингредиентов.
Международная команда учёных под руководством исследователей из DTU генетически модифицировала дрожжи для производства винбластина. Они заставили дрожжи производить винолдин и катарантин, а затем очистили и соединили эти два предшественника в винбластин. Таким образом, был открыт новый синтетический подход к производству этих лекарств. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Это исследование может привести к созданию новых источников винолдина, катарантина и других алкалоидов, полностью независимых от факторов, влияющих на сельское хозяйство, таких как болезни растений и стихийные бедствия. Поскольку основные ингредиенты для производства этих соединений — пекарские дрожжи и простые возобновляемые субстраты, такие как сахара и аминокислоты, производство также менее уязвимо для пандемий и глобальных логистических проблем, отмечает старший исследователь DTU Biosustain и ведущий автор работы Цзе Чжан:
"В последние годы мы наблюдали несколько случаев дефицита этих препаратов на рынке. Они происходят всё чаще и, скорее всего, будут повторяться в будущем. Мы, конечно, планируем создать новые цепочки поставок для этих и других молекул. Этот результат — доказательство концепции, и предстоит долгий путь по масштабированию и дальнейшей оптимизации клеточной фабрики для экономически эффективного производства ингредиентов".
Новая цепочка поставок противоракового препарата
Помимо демонстрации принципиально новой цепочки поставок этих важных препаратов, исследование показало самый длинный биосинтетический путь (или "сборочную линию"), встроенный в микробную клеточную фабрику.
Винбластин относится к монотерпеновым индольным алкалоидам (MIA). MIA биологически активны и полезны для лечения различных заболеваний, но это очень сложные молекулы, которые трудно производить синтетически.
"Чтобы доказать возможность микробного производства всех MIA, мы выбрали одно из самых сложных химических веществ в растительной химии. Мы не знали полного пути синтеза винбластина, когда начинали в 2015 году. Мы также не знали о дефиците, с которым столкнулось общество. Это был самый длинный путь, который мы знали, и мы знали, что он, вероятно, кодирует около 30 ферментативных реакций. Большой проблемой было запрограммировать одну дрожжевую клетку на 30+ шагов и при этом обеспечить её нормальное функционирование и жизнеспособность. Это была основная задача и самая большая часть нашего исследования", — говорит Цзе Чжан.
Команда выполнила 56 генетических редактирований, чтобы запрограммировать 31-ступенчатый биосинтетический путь в пекарских дрожжах. Хотя работа была сложной и требует продолжения, авторы ожидают, что дрожжевые клетки станут масштабируемой платформой для производства более 3000 природных MIA и миллионов новых аналогов в будущем.
"В этом проекте мы искали новые способы производства сложной химии, важной для здоровья человека, хотя технология также может быть полезна в сельском хозяйстве и материаловедении. Биотехнологии предлагают нечто интересное, потому что химический синтез сложно масштабировать, а природные ресурсы конечны. Мы считаем, что нужен третий подход: ферментация или цельно-клеточное производство. Сборочные линии, известные в природе, подключаются к микробным клеткам и позволяют им производить некоторые из этих сложных химических веществ", — говорит Майкл Крог Йенсен.
Среди многих важных MIA, которые теперь можно производить на основе новой платформы, авторы называют химиотерапевтические препараты винкристин, иринотекан и топотекан. Все они, как и винбластин, входят в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения.
Исследование подчёркивает недавние достижения в области синтетической биологии, где модифицированные дрожжи используются для производства лекарств. Другие молекулы, которые теперь могут производить клеточные фабрики, включают потенциальные препараты для лечения рака, боли, малярии и болезни Паркинсона.
Производство лекарств, которые обычно получают из растений, в промышленных ферментерах с использованием дешёвых и возобновляемых субстратов может смягчить будущие дефициты и создать более устойчивую экономику, не зависящую от культивируемых или редких организмов.
"Метаболический путь, который мы создали в дрожжах, — самый длинный биосинтетический путь, когда-либо реконструированный в микроорганизме. Эта работа демонстрирует, что очень длинные и сложные метаболические пути можно взять практически из любого организма и реконструировать в дрожжах для производства столь необходимых терапевтических средств, которые слишком сложно синтезировать с помощью химического синтеза. Поскольку дрожжи по своей природе масштабируемы, эти модифицированные дрожжи однажды смогут поставлять винбластин, а также 3000 других родственных молекул этого семейства природных соединений. Это не только увеличит предложение и снизит стоимость этих продуктов для потребителей, но и сделает производство экологически чистым, поскольку устранит необходимость сбора иногда редких растений из чувствительных экосистем для получения молекул", — говорит соавтор работы Джей Д. Кислинг.